ارزیابی انرژی- ‌محور فروریزش پیشرونده قاب‌های فولادی برای برنامه‌ریزی تخریب انفجاری چندمرحله‌ای

محرمی, حمید; فرهودی, علیرضا

doi:10.47176/jcme.45.1.1075

ارزیابی انرژی- ‌محور فروریزش پیشرونده قاب‌های فولادی برای برنامه‌ریزی تخریب انفجاری چندمرحله‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

حمید محرمی

علیرضا فرهودی

دانشکده مهندسی عمران ومحیط زیست، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

10.47176/jcme.45.1.1075

چکیده

در این پژوهش، یک روش عملی برای برنامه‌ریزی تخریب انفجاری چندمرحله‌ای سازه‌های فولادی چندطبقه با تکیه بر تحلیل دینامیکی غیرخطی و معیارهای عملکرد انرژی‌محور در نرم‌افزار SAP2000 ارائه می‌شود. سازه مرجع، یک قاب خمشی فولادی ده‌طبقه با کف‌های مرکب است که با درنظرگرفتن رفتار غیرالاستیک از طریق مفاصل پلاستیک متمرکز، اثرات مرتبه دوم و انتگرال‌گیری مستقیم زمانی همراه با میرایی ویسکوز مدل‌سازی شده است. ستون‌های بحرانی در یک طبقه میانی و در طبقه اول، در هر تراز به سه گروه انفجاری تقسیم شده و با فاصله زمانی کوتاه و ثابت به‌صورت متوالی حذف می‌شوند. در حالی‌که تأخیر زمانی بین توالی حذف در دو تراز به‌عنوان متغیر اصلی طرح در چندین سناریو بررسی می‌گردد. ارزیابی سناریوها با استفاده از سه شاخص بی‌بُعد انجام می‌شود که به‌ترتیب بیانگر کارایی فروریزش، شدت پاسخ جنبشی همراه با حرکت باقیمانده و سازگاری موازنه انرژی هستند. برای انتخاب سناریوی مناسب، یک قاعده روش انتخاب سلسله‌مراتبی به‌کار گرفته شده است. در این ، روش ابتدا سناریوهای فاقد سازگاری انرژی حذف شده و سپس سناریوهای باقی‌مانده اغلب بر اساس شاخص کارایی فروریزش و در صورت نیاز با بهره‌گیری از شاخص جنبشی رتبه‌بندی می‌شوند. نتایج نشان می‌دهد یک مقدار میانی از تأخیر بین‌ترازی، فروریزش گرانشی قاطع همراه با پاسخ حرکتی شدید اما کنترل‌شده ایجاد می‌کند، در حالی که تأخیرهای بسیار کوچک یا بسیار بزرگ معمولاً به فروریزش ناقص یا نوسانات ماندگار منجر می‌شوند. همچنین تحلیل‌های تکمیلی روی سازه‌های فولادی هشت و پنج طبقه نشان می‌دهد منطق ارزیابی و روش انتخاب پیشنهادی نسبت به تغییر ارتفاع سازه پایدار بوده و می‌تواند به‌عنوان ابزاری کمّی برای مجریان تخریب انفجاری در انتخاب زمان‌بندی مؤثر انفجار مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها

فروریزش پیشرونده

تخریب انفجاری چندمرحله‌ای

قاب فولادی چندطبقه

تحلیل دینامیکی غیرخطی

شاخص‌های عملکرد انرژی‌محور

موضوعات

سازه

عنوان مقاله English

Energy-Based Progressive Collapse Assessment of Steel FrameBuildings for Planning Multi-Stage Explosive Demolition

نویسندگان English

Hamid Moharrami

Alireza Farhudi

Faculty of Civil and Environmental Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran.

چکیده English

This study proposes a practical method for planning multi-stage explosive demolition of multi-story steel structures using nonlinear dynamic analysis and energy-based performance measures in SAP2000. A ten-story steel moment-resisting frame with composite floors is modelled by considering inelastic behaviour through concentrated plastic hinges, second-order effects, and direct time integration with viscous damping. Critical columns at one of the intermediate stories and at the ground story are divided into three blasting groups at each level and removed sequentially with a fixed short interval. At the same time, the delay between the two story-level sequences is treated as the main demolishing variable and examined across multiple scenarios. Performance is assessed using three dimensionless indicators representing collapse efficiency, kinetic response severity with residual motion, and energy-balance consistency. A hierarchical selection rule is applied first, excluding scenarios that fail the energy-consistency requirement and then, ranking the remaining cases primarily by collapse efficiency and secondly by the kinetic indicator. Results show that an intermediate inter-story delay produces a decisive gravity-driven collapse with strong but controlled motion, while very small or very large delays tend to cause incomplete collapse or persistent oscillations. Additional analyses on eight- and five-story steel structures indicate that the proposed assessment logic remains robust with changes in structural height and can support engineers in selecting effective blasting schedules.

کلیدواژه‌ها English

Progressive collapse

Multi-stage explosive demolition

Multi-story steel frame

Nonlinear dynamic analysis

Energy-based performance indices

[1] Petrone, F., Shan, L., and Kunnath, S. K. Modeling of RC Frame Buildings for Progressive Collapse Analysis. International Journal of Concrete Structures and Materials 2016; 10(1): 1–13.

https://doi.org/10.1007/s40069-016-0126-y.

[2] Park, S. Y., Choi, H., Baek, S. C., Kim, H. J., Yoon, S. J. Design of Pre-Weakening and Evaluation of Structural Safety for Explosive Demolition of Concrete Silo. Materials Science Forum 2014; 654–656: 2548–2551.

https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.654-656.2548.

[3] Özmen, H., Soyluk, K., and Anil, Ö. Analysis of RC Structures with Different Design Mistakes Under Explosive-Based Demolition. Structural Concrete 2021; 22 (3): 1464-4177.

https://doi.org/10.1002/suco.201900367.

[4] Uenishi, K., Hiroshi, T., Hiroshi, Y., and Shunsuke S. PC-Based Simulations of Blasting Demolition of RC Structures. Construction and Building Materials. 2010; 24(12): 2401-2410.

https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2010.03.002.

[5] Michaloudis, G., Blankenhorn, G., Mattern, S., and Schweizerhof, K. Modelling Structural Failure with Finite Element Analysis of Controlled Demolition of Buildings by Explosives Using LS-DYNA. In High Performance Computing in Science and Engineering, 2010, 539-551. Springer, Berlin, Heidelberg.

https://doi.org/10.1007/978-3-642-04665-0_37.

[6] Lu, Z., He, X., and Zhou, Y. Discrete Element Method-Based Collapse Simulation, Validation and Application to Frame Structures. Structure and Infrastructure Engineering. 2018; 14(5): 538–549. https://doi.org/10.1080/15732479.2017.1373133.

[7] Yüzbaşı, J. Controlled Demolition: Novel Monitoring and Experimental Validation of Blast-Induced Full-Scale Existing High-Rise Building Implosion Using Numerical Finite Element Simulations. Journal of Civil Structural Health Monitoring. 2025; 15: 891–914 . https://doi.org/10.1007/s13349-024-00849-y.

[8] Isobe, D. An Analysis Code and a Planning Tool Based on a Key Element Index for Controlled Explosive Demolition. International Journal of High-Rise Buildings. 2014; 3(4): 243–254. https://doi.org/10.21022/IJHRB.2014.3.4.243.

[9] Isobe, D., and Ranmeng J. Explosive Demolition Planning of Building Structures Using Key Element Index. Journal of Building Engineering. 2022; 59: 104935. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2022.104935.

[10] Biggs, J. M. Introduction to Structural Dynamics. McGraw-Hill, New York, 1964.

[11] Newmark, N. M. A method of computation for structural dynamics. ASCE Journal of Engineering Mechanics. 1959; 85: 67-94.

https://www.scirp.org/reference/referencespapers?referenceid=838420

[12] Clough, R. W., and Penzien, J. Dynamics of Structures, 4th ed., Computers & Structures Inc2019, McGraw-Hill, New York, 2019.

[13] Chopra, A. K. Dynamics of Structures, 6th ed., Pearson, 2022.

[14] Hilber, H. M., T. J. R. Hughes, and R. L. Taylor. Improved Numerical Dissipation for Time Integration Algorithms in Structural Dynamics. Earthquake Engineering & Structural Dynamics. 1977; 5(3): 283–292.

https://doi.org/10.1002/eqe.4290050306

[15] CSI Analysis Reference Manual: For SAP2000, ETABS, SAFE, and CSiBridge. Berkeley, CA: Computers and Structures, Inc., 2016.

[16] Ondrej. Time-history output-acceleration accuracy. CSI Knowledge Base. Last modified October 18, 2022. https://web.wiki.csiamerica.com/wiki/spaces/kb/pages/2003330/Time-history+output-acceleration+accuracy.

[17] Abell, M. Direct-integration Time-History Analysis. CSI Knowledge Base. Last modified October 23, 2022. https://wiki.csiamerica.com/display/kb/Direct-integration%2Btime-history%2Banalysis.

[18] Federal Emergency Management Agency (FEMA). 2000. Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings (FEMA 356). Washington, DC: FEMA.

[19] American Society of Civil Engineers (ASCE). 2017. Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings (ASCE/SEI 41-17). Reston, VA: ASCE.

[20] U.S. Department of Defense. Unified Facilities Criteria (UFC) 4-023-03: Design of Buildings to Resist Progressive Collapse. 2009.

https://www.wbdg.org/FFC/DOD/UFC/ufc_4_023_03_2009_c4.pdf

[21] Hughes, T. J. R. The Finite Element Method: Linear Static and Dynamic Finite Element Analysis. Prentice Hall, Mineola, NY, Dover. 2005.

[22] Shi, Y., Li, Z. Y., and Hao, H. A New Method for Progressive Collapse Analysis of RC Frames under Blast Loading. Engineering Structures. 2010; 32 (6): 1691-1703. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2010.02.017.

[23] Izzuddin, B. A., Elghazouli, A. Y., and D. A. Nethercot. Progressive Collapse of Multi-Storey Buildings Due to Sudden Column Loss—Part I: Simplified Assessment Framework. Engineering Structures. 2008; 30(5): 1308-1318.

https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2007.07.011

[24] Kwasniewski, L. Non-linear Dynamic Simulations of Progressive Collapse for a Multi-Storey Building. Engineering Structures. 2010; 32 (5): 1223–1235.

https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2009.12.048.

[25] Feng, F. Progressive Collapse Analysis of High-Rise Building with 3-D Finite Element Modeling Method. Journal of Constructional Steel Research. 2009; 65(6): 1269–1278.

https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2009.02.001.

[26] Bagheri P. M., Mohammadi, Y., and Gholizad, A. A Proposed Procedure for Progressive Collapse Analysis of Common Steel Building Structures to Blast Loading. KSCE Journal of Civil Engineering. 2017; 21(6): 2186–2194.

https://doi.org/10.1007/s12205-017-0559-0.